الطائرات التي تعمل بالدفع الأيوني

تم اكتشاف مبدأ دفع الرياح الأيونية بواسطة الجسيمات المشحونة المتولدة من الهالة بعد فترة وجيزة من اكتشاف الكهرباء، مع وجود مراجع تعود إلى عام 1709 في كتاب بعنوان " التجارب الفيزيائية الميكانيكية على مواضيع مختلفة" لفرانسيس هوكسبي .

أمضى العالم الأمريكي توماس تاونسند براون معظم حياته في دراسة هذا المبدأ، معتقدًا خطأً أنه تأثير مضاد للجاذبية ، والذي أطلق عليه اسم تأثير بيفيلد-براون . ولأن أجهزته كانت تُنتج قوة دفع في اتجاه تدرج المجال، بغض النظر عن اتجاه الجاذبية، ولم تكن تعمل في الفراغ، أدرك باحثون آخرون أن هذا التأثير ناتج عن الديناميكا الكهربائية المائية. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تُسمى الطائرات ذات الدفع الأيوني القادرة على الإقلاع والهبوط العمودي أحيانًا "الرافعات". كانت النماذج الأولى قادرة على رفع حوالي غرام واحد من الوزن لكل واط . ^{[ 3 ]} لم يكن هذا كافيًا لرفع مصدر الطاقة عالي الجهد الثقيل اللازم، والذي كان يبقى على الأرض ويزود الطائرة بالطاقة عبر أسلاك طويلة ورفيعة ومرنة.

درس مصمم الطائرات الأمريكي الرائد ألكسندر بروكوفييف دي سيفيرسكي استخدام الدفع الكهروهيدروديناميكي للرفع في خمسينيات وستينيات القرن العشرين. وقدّم براءة اختراع لمركبة أيونية في عام 1959. ^{[ 4 ]} قام ببناء نموذج أولي لمركبة أيونية ذات إقلاع وهبوط عمودي، قادرة على المناورة الجانبية عن طريق تغيير الفولتية المطبقة في مناطق مختلفة، على الرغم من أن مصدر الطاقة الثقيل ظل خارجيًا. ^{[ 5 ]}

في مطلع القرن الحادي والعشرين، قام فريق من الباحثين بقيادة سوبراتا روي في جامعة فلوريدا بدراسة المركبة الجوية الكهرومغناطيسية عديمة الأجنحة (WEAV) التي طُرحت عام 2008 ، وهي عبارة عن رافعة كهرومغناطيسية هيدروديناميكية على شكل صحن مزودة بأقطاب كهربائية مدمجة في جميع أنحاء سطحها. استخدم نظام الدفع العديد من الابتكارات، بما في ذلك استخدام المجالات المغناطيسية لتعزيز كفاءة التأين. وقد حقق نموذج مزود بمصدر طاقة خارجي أدنى حد من الرفع والتحليق. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

تتميز مصادر الطاقة في القرن الحادي والعشرين بخفة وزنها وكفاءتها العالية. ^{[ 8 ] [ 9 ]} كانت أول طائرة تعمل بالدفع الأيوني تقلع وتطير باستخدام مصدر الطاقة الخاص بها مركبة إقلاع وهبوط عمودي (VTOL) طورها إيثان كراوس من شركة إلكترون إير عام 2006. ^{[ 10 ]} قدم كراوس أول طلب براءة اختراع له عام 2014، وحصل على منحة صغيرة لدعم مشروعه من شركة ستاردست ستارت أبس عام 2017. ^{[ 11 ]} تمتلك الشركة حاليًا براءتي اختراع أمريكيتين برقمي 10119527B2 و11161631B2 في هذا المجال. ^{[ 12 ]} كانت المركبة قادرة على توليد قوة دفع كافية للارتفاع بسرعة أو الطيران أفقيًا لعدة دقائق. ^{[ 10 ] [ 13 ]}

في نوفمبر 2018، حلّقت أول طائرة ثابتة الجناحين تعمل بنظام الدفع الأيوني، وهي طائرة MIT EAD Airframe Version 2، لمسافة 60 مترًا. وقد طوّرها فريق من الطلاب بقيادة ستيفن باريت من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا . بلغ طول جناحيها 5 أمتار ووزنها 2.45  كيلوغرام. ^{[ 14 ]} وكانت الطائرة تُطلق بواسطة منجنيق باستخدام شريط مطاطي، بينما كان نظام EAD يدعمها في الطيران على ارتفاع منخفض.

يُعدّ الدفع الناتج عن جهاز EHD مثالاً على تأثير بيفيلد-براون ، ويمكن اشتقاقه من خلال استخدام مُعدّل لمعادلة تشايلد-لانغمير . ^{[ 19 ]} ويُعطي المعالجة العامة أحادية البُعد المعادلة التالية: $${\displaystyle F={\frac {Id}{k}}}$$ أين

• F هي القوة الناتجة.
• يمثل I التيار الكهربائي.
• د هي الفجوة الهوائية.
• k هي حركة الأيونات في سائل التشغيل، [ ^{20 ] وتُقاس} بوحدة A⋅s² ^{⋅kg⁻¹ في النظام الدولي للوحدات، ولكنها تُقاس عادةً بوحدة m² ⋅V⁻¹ ⋅s⁻¹ .} وتُعد القيمة ^{النموذجية} للهواء ^{عند ضغط} ودرجة حرارة السطح هي1.5 × 10 ⁻⁴  م ² ⋅V ⁻¹ ⋅s ⁻¹ ). ^{[ 20 ]}

وعند تطبيقه على غاز مثل الهواء، يُشار إلى هذا المبدأ أيضًا باسم الديناميكا الكهربائية الهوائية (EAD).

عند تشغيل المركبة الأيونية، يُشحن سلك الكورونا بجهد عالٍ ، يتراوح عادةً بين 20 و50 كيلوفولت . وعندما يصل جهد سلك الكورونا إلى حوالي 30 كيلوفولت، فإنه يُؤين  جزيئات الهواء المجاورة عن طريق انتزاع إلكتروناتها . ونتيجةً لذلك، تتنافر الأيونات من المصعد وتنجذب نحو المجمع، مما يؤدي إلى تسارع معظمها نحو المجمع. تتحرك هذه الأيونات بسرعة متوسطة ثابتة تُسمى سرعة الانجراف . وتعتمد هذه السرعة على متوسط ​​المسار الحر بين التصادمات، وقوة المجال الكهربائي الخارجي، وكتلة الأيونات وجزيئات الهواء المتعادلة.

بما أن التيار ينتقل عبر تفريغ الهالة (وليس قوسًا كهربائيًا محصورًا بإحكام )، فإن الجسيمات المتحركة تنتشر في سحابة أيونية متوسعة، وتصطدم بشكل متكرر بجزيئات الهواء المتعادلة. هذه التصادمات هي التي تُكسب جزيئات الهواء المتعادلة زخمًا، والتي، نظرًا لكونها متعادلة، لا تعود إلى القطب الثاني. بل تستمر في التحرك في نفس الاتجاه، مُحدثةً رياحًا متعادلة. وعندما تُقذف هذه الجزيئات المتعادلة من المركبة الأيونية، تتولد، وفقًا لقانون نيوتن الثالث للحركة ، قوتان متساويتان ومتعاكستان، فتتحرك المركبة الأيونية في الاتجاه المعاكس بقوة مساوية. تُشبه القوة المؤثرة نسيمًا خفيفًا. ويعتمد الدفع الناتج على عوامل خارجية أخرى، بما في ذلك ضغط الهواء ودرجة حرارته، وتركيب الغاز، والجهد الكهربائي، والرطوبة، ومسافة الفجوة الهوائية.

تتعرض كتلة الهواء في الفجوة بين الأقطاب الكهربائية لتأثيرات متكررة من الجسيمات المثارة التي تتحرك بسرعة انجراف عالية. يُولّد هذا مقاومة كهربائية يجب التغلب عليها. ونتيجةً لذلك، يُحدث الهواء المتعادل المُحاصر في هذه العملية تبادلًا فعالًا في الزخم، مما يُولّد قوة دفع. وكلما زادت كثافة الهواء، زادت قوة الدفع الناتجة.

كما هو الحال مع قوة الدفع التفاعلية التقليدية، يمكن توجيه قوة الدفع EAD إما أفقيًا لتشغيل طائرة ثابتة الجناح أو رأسيًا لدعم مركبة رفع تعمل بالطاقة ، والتي يشار إليها أحيانًا باسم "الرافعة".

يُوصل سلك الباعث عادةً بالطرف الموجب لمصدر الطاقة عالي الجهد. وهو مصنوعٌ في الغالب من سلك موصل عارٍ ذي قطر صغير . ورغم إمكانية استخدام سلك نحاسي ، إلا أنه لا يُؤدي وظيفته بكفاءة الفولاذ المقاوم للصدأ . وبالمثل، فإن الأسلاك الرقيقة، مثل تلك ذات القطر 44 أو 50 ، تتفوق في الأداء على الأسلاك الأكبر حجمًا والأكثر شيوعًا، مثل تلك ذات القطر 30، وذلك لأن المجال الكهربائي الأقوى حول السلك ذي القطر الأصغر يُؤدي إلى انخفاض جهد بدء التأين وزيادة تيار الهالة، كما هو موضح في قانون بيك . ^{[ 21 ]}

يُشار إلى الباعث أحيانًا باسم "سلك الهالة" نظرًا لميله إلى إصدار توهج أرجواني ناتج عن تفريغ الهالة أثناء الاستخدام. وهذا ببساطة أثر جانبي للتأين.

تعمل الفجوة الهوائية على عزل القطبين الكهربائيين، مما يسمح للأيونات المتولدة عند الباعث بالتسارع ونقل الزخم إلى جزيئات الهواء المتعادلة، قبل أن تفقد شحنتها عند المجمع. يبلغ عرض الفجوة الهوائية عادةً 1  مم/كيلوفولت. ^{[ 22 ]}

صُمم المجمع بحيث يوفر سطحًا أملسًا متساوي الجهد أسفل سلك الكورونا. تشمل أشكاله المختلفة شبكة سلكية، أو أنابيب موصلة متوازية، أو غطاءً من رقائق معدنية بحافة ناعمة مستديرة. تؤدي الحواف الحادة في الغطاء إلى تدهور الأداء، لأنها تولد أيونات ذات قطبية معاكسة لتلك الموجودة داخل آلية الدفع.